混合勵磁電機的技術現狀及新進展

寧銀行, 趙朝會, 劉 闖

(1. 上海電機學院 電氣學院，上海 201306； 2. 南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016)

混合勵磁電機的技術現狀及新進展

寧銀行1, 趙朝會1, 劉 闖2

(1. 上海電機學院 電氣學院，上海 201306； 2. 南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016)

在永磁電機的基礎上，增設電勵磁繞組，以輔助調節永磁磁場，形成混合勵磁電機，融合了永磁電機和電勵磁電機的優點，應用前景廣闊。介紹了混合勵磁電機的調磁原理；從電機原型的角度，分析了混合勵磁電機的發展思路；以勵磁方案為著眼點，提出了一種混合勵磁電機的分析方法；結合混合勵磁電機的電磁特性，研究了混合勵磁電機應用于汽車、風力發電和航空航天等領域的控制方案和系統結構；提出了混合勵磁電機技術的研究思路，展望了混合勵磁電機的發展趨勢。

同步電機； 磁通切換電機； 混合勵磁電機； 拓撲結構； 汽車用電機； 風力發電機

0 引 言

高性能永磁材料、半導體器件和數字處理器的出現，為永磁電機的發展提供了物質基礎和技術支撐。永磁電機具有轉矩密度大、損耗小、效率高、質量輕、結構簡單、運行可靠、電機形狀和尺寸設計靈活等優點，應用范圍廣泛，遍及航空航天、國防、工農業生產和生活,但磁場不可調節限制了永磁電機在一些特定場合中的應用。電勵磁電機磁場易于調節，功率因數可控性好，但勵磁損耗的存在，一方面降低了電機效率，另一方面增大了溫升過高的風險。為了融合永磁電機和電勵磁的優點，同時克服兩者的缺陷，引入了“混合勵磁”的思想。混合勵磁電機(Hybrid Excitation Motor,HEM)在永磁電機的基礎上發展而來，通過調整永磁電機的結構，增設電勵磁繞組，對永磁磁場進行輔助性調節，兼具功率密度高和磁場可調的特點，引起了學者的關注。

就時間先后上看，美國學者F. B. Mccarty (1985年)[1]、俄羅斯學者(1988年)[2]和美國學者Thomas A. Radomski(1989年)[3]分別較早地提出了磁極分割式、磁分路式和爪極式等混合勵磁電機，影響較為深遠。此后，各國學者進行了多角度、多維度的探索。

1 HEM的調磁原理

以1臺三相混合勵磁同步電機(Hybrid Excitation Synchronous Motor,HESM)為例，介紹HEM的調磁原理。

空載時三相繞組磁鏈為

(1)

式中:ψpma_n、ψpmb_n、ψpmc_n——a、b、c相空載永磁磁鏈；

Mfa、Mfb、Mfc——a、b、c相電樞繞組與勵磁繞組的互感；

if——勵磁繞組電流。

工作在發電狀態時，調節勵磁電流if大小，反電勢隨之變化，以a相為例，反電勢E為

(2)

作為發電機使用時，根據式(2)可知，在勵磁電流if為零時，永磁磁鏈感應出相應的初始電壓，在此基礎上，調節勵磁電流if的大小，反電勢E隨之變化。作為電動機使用時，電機相繞組端電壓U不小于反電勢E，應滿足:

(3)

式中:N——匝數； Фδ——氣隙磁通；ωr——角速度。

根據式(3)可知，工作轉速滿足的約束關系為

(4)

減小正向(或反向增大)勵磁電流，可減小氣隙磁通Фδ，從而可拓寬電機的轉速范圍。

綜上所述，HEM在發電及電動場合具有良好的應用前景。

2 HEM的結構探索

HEM中，用于產生主極磁場的激勵源由永磁磁勢和電勵磁磁勢構成，根據兩者的耦合程度，可以分為弱耦合結構HEM和強耦合結構HEM。

對于弱耦合結構HEM，電勵磁和永磁磁勢相互獨立，表現為磁勢并列；對于強耦合結構HEM，電勵磁和永磁磁勢兩者耦合程度高，表現為磁勢串聯或磁勢并聯。

對于強耦合結構HEM，根據永磁體的放置位置，可以進一步細分為定子永磁型HEM和轉子永磁型HEM。就目前來看，HEM中永磁體放置的位置實際上與其電機原型密切相關，定子永磁型HEM、轉子永磁型HEM分別是以磁阻式雙凸極電機、永磁同步電機為電機原型。

2. 1 并列結構HEM

并列式HEM中主磁極分別由永磁部分和電勵磁部分構成，兩部分在磁路上相互獨立，勵磁調節方便。

圖1 并列式HESM(中國)

南京航空航天大學研究的并列式HESM如圖1所示[4]。該電機為4對極，轉子的永磁部分為內置式切向磁路轉子結構。轉子的電勵磁部分采用特殊的無刷結構，電勵磁的所有S極統一沿軸向延伸成圓環狀，電勵磁的所有N極統一沿軸向延伸成另一圓環狀，在兩個圓環狀之間設置靜止的導磁橋，導磁橋一方面用作軸向磁路的導磁部件，另一方面在其上開槽，用于嵌放勵磁繞組，可實現無刷化雙向調節勵磁電流。永磁部分和電勵磁部分的轉子同軸旋轉，磁極中心線對齊，極弧系數相同。

圖2為西門子工程師提出的一種并列式HEM(圖中未給出定子部分)[5]。如圖2所示，永磁部分為表貼式轉子結構，電勵磁部分是在電勵磁爪極同步電機的基礎上進行改造得到的，爪極形狀改造為瓦片形狀。圖2所示的結構為一個基本單元，文獻[5]中研制了多個基本單元再并列的樣機。該電機的永磁部分和電勵磁部分磁路仍然相互獨立，結構緊湊性更高，體積進一步壓縮。

圖2 新型并列式HEM(德國)

并列結構的HEM中，電勵磁部分和永磁部分在磁路上相互獨立，構成并列結構的組合形式靈活多樣。對于永磁部分，可以是切向磁路結構，也可以是徑向磁路結構。對于電勵磁部分，可以是傳統的轉子繞線式電勵磁同步電機，可以是爪極同步電機，也可以是雙凸極結構的電機。表1給出了并列式HEM的幾種典型組合方案。

表1 并列式HEM典型組合方案

2. 2 定子永磁型HEM

定子永磁型電機的代表結構包括雙凸極電機、磁通反轉電機和磁通切換電機等。以磁通切換電機為例，介紹定子永磁型HEM的發展歷程。

1997年，法國學者Hoang在文獻[12]中提出了如圖3所示的三相12/10極永磁磁通切換電機。該磁通切換電機由C型定子沖片拼接在一起，永磁體位于相鄰C型定子沖片之間，永磁體切向磁化。同一C型沖片兩個“邊”的磁通極性相同，分別源于相鄰的永磁體。帶載工作時，電樞磁勢和永磁磁勢為并聯關系，永磁體退磁的風險低。

圖3 三相12/10極永磁磁通切換電機

2007年，法國學者Hoang將“混合勵磁”概念引入到永磁磁通切換電機中，提出了如圖4所示的三相12/10極混合勵磁磁通切換電機[13-14]。在定子沖片外圍增設鐵心磁橋，通過鐵心柱將定子軛和鐵心磁橋連接在一起，增設的勵磁繞組繞制在鐵心柱上。電勵磁磁勢和永磁磁勢為并聯磁路關系，電勵磁磁通路徑的磁阻相對較小，有助于勵磁能力的提高。

圖4 三相12/10極混合勵磁磁通切換電機

圖5 C型混合勵磁磁通切換電機

在經典永磁磁通切換電機(圖3)的基礎上，國內東南大學通過縮短永磁體，代之以勵磁繞組填充其空間，在文獻[15]中提出了C型混合勵磁磁通切換電機，如圖5所示。該結構中定子軛外圍無磁橋，結構簡單，但工作時，電勵磁磁通經過永磁體。

在經典永磁磁通切換電機(圖3)的基礎上，英國謝菲爾德大學諸自強教授通過增加定子齒，使“C”型定子沖片變化為“E”型定子沖片;在文獻[16]中提出了E型永磁磁通切換電機，增加的中間齒不繞線圈，僅作為磁通通路。此結構有利于提高電樞繞組匝數，增大空載反電勢，一方面有利于減小永磁體用量，另一方面，繞組匝數增高，電感增大，短路故障運行能力增強。為了提高氣隙磁場的調節能力，諸自強教授在文獻[17]中提出在(E型永磁磁通切換電機的)E型定子沖片的中間齒上繞制勵磁繞組，從而得到E型混合勵磁磁通切換電機，如圖6所示。該電機具有相應的容錯能力，但是E型定子沖片的中間齒對反電勢波形的正弦度有一定影響。

圖6 E型混合勵磁磁通切換電機

磁通切換電機中，繞組和永磁體位于定子側，便于散熱，且轉子上既無永磁體，也無繞組，轉子結構簡單，機械強度高，在高速或超高速場合具有較好的應用前景。與雙凸極和開關磁阻電機相比，磁通切換電機為雙極性磁鏈，材料利用程度高，功率密度大。與傳統同步電機相比，磁通切換電機的磁極極弧系數偏小，氣隙磁場的利用程度稍低，電壓波形質量和帶載特性有待進一步改善。

2. 3 轉子永磁型HEM

目前來看，轉子永磁型HEM，多以同步電機為原型。此類電機的磁極極弧系數大，功率因數易于控制，但相對而言，電機的拓撲結構復雜。

(1) 永磁磁鋼的磁化類型。對于轉子上的永磁體，可根據需要來設計其結構形狀，并控制其充磁方向，從而形成不同類型的永磁電機。根據其磁化方向類型可以分為徑向磁化、切向磁化和軸向磁化，如圖7所示。在永磁電機的基礎上，進行結構調整得到相應的轉子永磁型HESM(如磁鋼徑向磁化型HESM、磁鋼切向磁化型HESM和磁鋼軸向磁化型HESM)。

圖7 永磁同步電機磁鋼磁化方向類型

(2) 磁鋼軸向磁化型HESM。以磁鋼軸向磁化型HESM為例，介紹轉子永磁型HEM的結構特征。2010年，日本學者在文獻[18]中介紹了如圖8所示的HEM。環狀永磁體沿軸向磁化，永磁體軸向兩側為極性相互錯開的轉子磁極，永磁磁通經氣隙進入定子鐵心。直流勵磁繞組位于軸向端蓋的凹槽處，為三維空間磁路。該電機中直流勵磁磁勢和永磁磁勢是并聯關系，永磁體退磁的風險小，且不需要集電環和電刷，運行可靠性高。文獻[18]分析了電機的工作原理、調磁能力和損耗等，并與異步電機、永磁同步電機進行了對比性分析。文獻[19]對該環形永磁體混合勵磁電機的樣機進行了試驗，并分析了定子齒形的優化及其轉子的機械應力。

圖8 環狀磁鋼HEM

2006年，巴西學者在電勵磁爪極電機的基礎上，將電勵磁繞組全部替換為軸向磁化的環形永磁體，提出了軸向磁化永磁型爪極同步電機，研究了該電機的3D電磁場分布特征[20-21]。2010年，日本學者則在保留電勵磁繞組的前提下，增加環形永磁磁鋼，提出了如圖9所示的HESM。文獻[22]對該環形磁鋼-爪極HESM的轉矩密度和勵磁繞組損耗進行了分析，試驗表明效率達85%。

圖9 環狀磁鋼-爪極HESM

國內山東大學[23]研究的一種軸向磁化型HEM，如圖10所示。環形永磁體位于爪極轉子的內腔中，為解決爪極轉子內腔空間緊張的問題，將電勵磁繞組放置在爪極的軸向兩側。

圖10 新型環狀磁鋼-爪極HEM

為最大限度地利用永磁電機的優點，一般而言，在采用混合勵磁技術方案時，磁場激勵源應以永磁為主，電勵磁為輔，后者僅負責氣隙磁場的輔助性調節。

3 HEM的勵磁方案

定子永磁型HEM中電勵磁繞組和永磁體均位于定子，易于實現電勵磁的無刷化，但對于以同步電機為電機原型的轉子永磁型HESM，無刷化勵磁則是一個關鍵技術。

對于轉子永磁型HESM而言，永磁磁鋼位于轉子，永磁磁鋼的布置和形狀不固定等，轉子磁極在圓周向上交替分布，如圖11所示。如果將相同極性的轉子磁極分成一組，則轉子磁極中可分成N磁極組和S磁極組，如圖11(b)所示。經典HEM(特指轉子永磁型HEM)，其工作原理的共性部分可以概括如下：使用導磁部件將N磁極組和S磁極組分別加以延伸，并使用另一導磁部件為上述延伸部分搭建磁路，最終形成新增的附加磁路，電勵磁繞組纏繞在該附加磁路上。在永磁磁場的基礎上，通過控制附加磁路上的電勵磁來調節磁場強度，因此該附加磁路是電勵磁磁通路徑的主要部分。由于導磁部件可構建的附加磁路多種多樣，因此，纏繞在附加磁路上的電勵磁繞組位置也是不固定的。作者在文獻[24]中僅簡要提到了上述基本思想，本文結合具體案例加以豐富。以磁極分組及其附加磁路作為視角，有利于HESM的分析，以及啟發新的拓撲結構。

圖11 同步電機轉子磁極分布及分組

3. 1 磁分路式

文獻[25-26]介紹的磁分路式HESM，如圖12所示，永磁磁鋼切向磁化，勵磁繞組放置在(位于軸向端的)導磁橋的開槽中。該電機的磁極分組及其連接方式可使用圖12(b)表示，軸向磁路不需經過機殼，導磁橋為靜止部件，電機為無刷勵磁結構。磁極分組特征：N磁極組和S磁極組從同側沿軸向向外延伸。

圖12 磁分路型HESM

3. 2 雙端調磁型

法國學者研究的雙端調磁型HESM[27]，如圖13所示，永磁磁鋼切向磁化，在軸向兩端各設置一個勵磁繞組。電機中電勵磁磁勢和永磁磁勢為并聯關系，系無刷勵磁結構。該電機的磁極分組及其連接可使用圖13(b)表示，磁極分組特征：N和S兩組磁極從不同側的軸向端，向外延伸，再通過導磁橋、機殼與定子鐵心連接起來。根據從軸向兩端引出的磁極極性和永磁體的布置，衍生出幾種不同類型的雙端調磁型HEM。在軸向兩端引出的磁極極性可以相同[27-30]，也可以不同[31]。該電機磁路較長，調磁效率和漏磁等問題值得注意。

圖13 雙端勵磁型HESM

3. 3 爪極式

圖14是電勵磁爪極HESM，勵磁繞組位于轉子內腔中。該電機的磁極分組及其連接方式可使用圖14(b)表示，系無刷勵磁結構。其磁極分組特征是：N、S兩個磁極極性組從不同側軸向端，朝轉子磁極內腔收縮，并連接起來。

圖14 電勵磁爪極HESM

在相鄰爪極之間設置切向磁化的永磁體，即構成爪極式HESM[3]，如圖15所示。永磁體增大了主磁通，此外，由于永磁磁阻較大，減少了電勵磁在爪極間的漏磁，提高了功率密度。

圖15 爪極HESM

3. 4 永磁-感應子式

哈爾濱工業大學研究的永磁-感應子式HESM[32]，如圖16(a)所示。該電機由永磁和感應子兩部分構成，兩者在磁路上相互獨立，為并列式結構。電勵磁部分為感應子式電機，勵磁繞組位于靜止的勵磁支架上，為無刷勵磁。感應子部分的磁極分組及連接方式可使用圖16(b)表示，其磁極分組特征：單一極性的磁極從軸向端的一側，向外延伸，軸向磁路經過端蓋與機殼。感應子部分的所有轉子極性相同，為單極性調磁。文獻[33]討論了永磁和感應子比重對電機電感和電機性能的影響。文獻[34]對感應子部分的損耗進行了分析和計算。由于感應子的轉子磁極在周向上極性相同，因此，氣隙磁密中包含直流偏置分量，鐵損計算時應考慮損耗系數的修正。該電機的轉子結構簡單，適宜于高速場合。

圖16 永磁-感應子式HESM

3. 5 磁極分割式

美國學者F. B. Mccarty在1985年發表的專利介紹了磁極分割式HESM[1]，隨后英國學者E. Spooner在1989年對其進行結構改進，加工了試驗樣機[35-36]。美國學者T. A. Lipo在文獻[37-38]中介紹的磁極分割式HESM，如圖17所示。

圖17 磁極分割型HESM

磁極分割型HESM中包含兩個獨立的定子鐵心，定子鐵心之間固定勵磁繞組，機殼采用導磁材料，作為電勵磁磁路的一部分。永磁體位于轉子上。轉子可以看作是由兩個轉子磁極單元構成，每個轉子磁極單元中有永磁磁極和鐵心磁極，兩者交替出現。磁極分割型HESM可以看作是由兩個電機單元的合并得到的，如圖18所示。

圖18 磁極分割型HEM磁極分組及連接

比利時及波蘭學者[39-40]研究了此類電機的轉子磁極和定子齒頂形狀對抑制齒槽轉矩的影響。以電動汽車為應用背景，意大利學者[41]對其轉子鐵心形狀、永磁體形狀和轉矩等進行了研究。國內華中科技大學從轉矩控制和效率的角度對其進行了研究[42]。磁極分割型HESM中環形直流勵磁線圈包圍轉子，因此轉子外徑增大，用銅量也隨之增加，但該電機結構簡單，無附加氣隙，勵磁效率高。

3. 6 勵磁機式

前述的磁分路式、雙端勵磁型、爪極式、永磁-感應子式和磁極分割型等HESM，為實現無刷勵磁，將磁極分組從軸向端引出，通過導磁部件構成相應的磁通回路，均存在軸向磁路。除上述勵磁結構方案外，文獻[43]借鑒航空發電機中常用的三級式方案，介紹了一種如圖19所示的兩級式無刷勵磁方案，由主電機和勵磁機構成，主電機采用磁路獨立型HESM，勵磁機采用旋轉電樞式交流發電機，勵磁機電樞電能經旋轉整流器整流后，為主電機勵磁繞組提供勵磁。

圖19 磁路獨立型無刷HESM

作為主電機的獨立磁路型HESM，在轉子上通過開槽設置空氣層以實現電勵磁和永磁的隔離，減弱兩者的耦合程度。在一定程度上，“獨立磁路型”方案可減小勵磁需求。文獻[44-46]對獨立磁路型HESM的調磁原理、氣隙磁密波形特征、數學模型、隔磁結構優化以及電磁-機械-熱多物理場分析等問題進行了研究。

以上是HESM的經典勵磁方案，在應用上，具有一定的普適性，應用于不同的電機原型中，可衍生出多種結構的HEM，因此勵磁結構的探索具有一定的指導意義。

4 HEM的應用分析

4. 1 汽車用驅動電機

為應對日益嚴峻的能源短缺和環境污染問題，燃油型汽車逐漸過渡為混合動力型、純電動型等低排放新能源汽車。電動汽車中，驅動電機是其核心部件，要求大扭矩、大功率密度、寬調速范圍、高效率、高可靠性和具有一定的容錯能力。作為電動汽車驅動電機用，香港大學鄒國堂教授和東南大學程明教授在文獻[47]中推薦了兩類HEM(爪極型HEM和雙凸極型HEM)。

針對HEM的轉矩控制，一種接受度較高的控制策略是，基于“轉速分區”的電流(定子電流和勵磁電流)協調控制[48-49]。以HESM為例，電磁轉矩Te方程為

(5)

式中:Te——電磁轉矩；p——極對數；iq、id——q、d軸電流分量；ψpm——永磁磁鏈；Msf——電勵磁繞組與電樞繞組的互感；if——勵磁繞組電流；Ld、Lq——d、q軸電感。

從式(5)可以看出，當Ld≠Lq時，從提高轉矩的角度看，id不應為0。但是HESM中，電勵磁和永磁磁場耦合程度高，調節電勵磁時，參數變化明顯，因此，從這個角度看，采用id=0的控制策略，可減弱參數變化對系統穩定性的影響。

HEM的轉矩-轉速特性如圖20所示。根據電機轉速n，將運行區間分成低速區和高速區，然后分區協調控制定子電流和勵磁電流。根據負載和轉速工況，“低速區”和“高速區”又各分兩個控制模式，如圖21所示。

圖20 轉矩-轉速特性

圖21 HEM的電流分區控制

對于圖21(a)，在此范圍內轉矩控制時，采用id=0，遵循“先iq，后if”的原則[50-51]。以工作模式ml1為例，負載轉矩TL較小時，盡可能不使用勵磁電流，僅通過增大定子電流iq，增大電磁轉矩，直到iq=iqN。為繼續增大轉矩，則開始正向增大勵磁電流if，進入工作模式ml2，在此期間q軸電流維持在額定值不變，即iq=iqN。

對于圖21(b)，轉速n高于基速，為弱磁區。可用的弱磁物理量有if和id，本著“先if，后id”的原則進行弱磁。在工作模式mh1的轉速范圍內，僅啟用if弱磁(此時id=0)，隨著轉速繼續升高，直到if達到最大值，即if=-ifmax，進入到工作模式mh2中，開始起用id進行弱磁。

黃明明博士[52]以電動汽車寬轉速系統為應用背景，針對非對稱交錯型HEM，建立了“轉速分區”電流協調控制的驅動系統模型，與傳統永磁同步電機的矢量控制系統相比，系統中增加了勵磁電流控制和電流分配控制等功能模塊，尤以電流協調模塊最為關鍵，該模塊根據電機轉矩和轉速需求，負責定子電流(id，iq)以及勵磁電流if的分配。比較了3種弱磁模式(僅if，僅id，if+id)下的轉速范圍，零電流時，電機呈現出類似于永磁電機的特性，調速范圍較窄，if和id均參與弱磁時的調速范圍大大拓寬。

4. 2 汽車用發電機

汽車發電機可分為直流發電機和交流發電機。由于交流發電機的相對優勢，目前以交流發電機為主，內部帶有二極管整流電路，將交流電整流為直流電[53]。為滿足汽車電器的用電需求，交流電機需要電壓調節器，使其電壓基本恒定，向蓄電池恒壓供電。

圖22所示為一種汽車電源系統[54]。系統中有高壓電池組和12 V電池組，發電機電壓雖然可通過勵磁控制器調節，但不能同時滿足兩種電壓級別，因此，使用二極管整流電路只能為其中一個電池組充電，通常是高壓電池組。12 V電池組為起動電動機和汽車配件供電。

圖22 一種汽車電源系統框圖

傳統汽車和弱混合動力汽車中，爪極發電機應用廣泛，但爪極電機存在漏磁大、輸出能力小、效率低等問題。在電勵磁爪極電機的爪極間鑲嵌磁鋼從而形成爪極HESM，增加了主磁通，減小了爪極間漏磁。混合勵磁爪極電機已逐漸成為弱混合動力汽車皮帶起動發電機(Belt Starter Generator，BSG)的主流[55]。例如，汽車零部件制造商雷米(Remy)公司和德爾福(Delphi)均采用爪極HESM開發了BSG電機，東風風神S30微混轎車和奇瑞A5試用了雷米公司的BSG電機。

上海大學黃蘇融教授[56]采用混合勵磁型BSG，設計了42 V的汽車供電系統，分析了電機的結構及原理，分別從機械、模態和熱工等方面進行了綜合性研究。仿真計算和試驗表明，可以在寬轉速范圍內保持基本恒定的電壓向蓄電池供電，具有輸出能力強和特性硬的特點。合肥工業大學王群京教授以效率為關注點，研究了爪極HESM[57]，相對于傳統爪極電機的效率(40%～60%)，混合勵磁爪極電機效率有較大提高(為55%～70%)。

4. 3 風力發電機

隨著能源日益枯竭以及環保意識的加強，人們逐漸認識到尋找可再生能源的迫切性，風力發電技術具有良好的發展前景，對于能源消耗大且風能資源豐富的我國，意義重大。

基于永磁電機的直驅式風力發電方案中，為了控制電機轉速，實現最大風能跟蹤，通常采用可控型的機側變流器或直流側并聯Boost變流器等電力電子裝置[58-59]，控制相對復雜。圖23是基于HESM的直驅式風力發電系統[60-61]。網側逆變器負責將直流電能高質量地輸入到電網中，確保直流側電壓的穩定，機側變流器雖然是不控型整流器，但是可通過調節勵磁電流來控制電機輸出功率，進而控制轉速，實現最大風能跟蹤，減小了系統復雜性。

圖23 直驅式風力發電系統的原理圖

4. 4 航空航天用電機

空客A380中采用的三級式交流電機方案，由永磁同步電機、旋轉電樞式交流電機和電勵磁同步電機構成[65]。永磁同步電機的容量小，為旋轉電樞式交流電機提供勵磁電能，旋轉電樞式交流電機的交流電能經同軸旋轉的整流器整流后，為電勵磁同步電機提供勵磁。與此方案作比較，法國學者提出了基于HESM的新型方案[65]，HESM帶不控整流負載，以270 V直流電壓為穩壓目標，介紹了HESM和整流器的等效模型，分析了電機轉速和負載變化時閉環控制系統的性能。該系統中，由于HESM中存在的永磁磁場，省去了三級式方案中的永磁電機；且勵磁繞組位于靜止部件上，進一步省去了旋轉整流器，簡化了系統，節省了成本[65]。

變頻交流電源是飛機電源的重要發展方向。南京航空航天大學[66]采用HESM作為變頻發電機，以端電壓、勵磁電流、工作轉速和負載作為反饋量，設計了多環調壓控制系統，表明系統具有良好的穩態和動態響應性能，驗證了HESM在變頻電源系統中應用的可行性。

哈爾濱工業大學[67]以飛輪儲能為應用背景，研制了由永磁電機和感應子電機組合而成的HESM。樣機中永磁部分采用表貼式同步電機，結構簡單，感應子部分勵磁繞組位于軸向端靜止的支架上，轉子上不存在繞組，使用整塊鋼件制成，適用于高速運行。已有文獻分別從調磁特性和帶載特性[32]、永磁/電勵磁比重設計[33]、損耗[34]和溫升計算[68]等方面對其進行了研究。

HEM是在傳統電機的基礎上發展而來，相對于其電機原型，主極磁場由單一型勵磁激勵源變化為多類型激勵源，但是其工作原理并未發生根本性的變化，因此，基于原型電機的豐富研究成果，本著“借鑒-發展”的原則，積極穩妥地開展HEM的研究，有利于推進HEM的普及。以HESM為例，在永磁同步電機中廣泛應用的一些先進控制策略(如磁場定向控制和直接轉矩控制等)也可借鑒到HESM中，同時結合HESM的特點，改進相應的控制方案，豐富電機理論。

5 HEM的技術發展趨勢

(1) 拓撲結構的研究。相對于永磁電機，HEM由于電勵磁繞組的存在而增設了附加磁路，結構復雜性、體積大小和設備重量等有所增加，功率/體積比降低，限制了HEM在諸如航空航天等場合中的應用。對HEM進行結構優化，使其緊湊化、簡單化等很有必要。

HEM在真正實用化階段之前，一些品質問題仍需進一步研究，例如，作為電動機時的轉矩脈動，作為交流發電機時的電壓諧波。此外，電機結構的特殊性使得磁通路徑變得復雜，以HESM為例，大多同時存在徑向磁路和軸向磁路，漏磁相對突出，從拓撲結構上改善此類問題意義明顯。

對于同類型的HEM，永磁和電勵磁的比重對其效率、調磁范圍、帶載特性和電感特性(例如HESM的凸極率)等影響較大。因此，以應用需求為導向設計HEM也是其發展方向之一。

(2) 驅動控制技術的研究。HEM與其電機原型相比，雖然在調磁特性上有所變化，但是從運行原理上講，仍然保持較大相似性。以HESM為例，與其電機原型(同步電機)相比，從電磁本質上講，HESM仍屬于“同步電機”的范疇，因此，借鑒針對同步電機的控制技術，對于HESM十分必要。

針對永磁同步電機的磁場定向控制技術應用相對廣泛。基速以下，可選擇的轉矩控制技術主要包括id=0控制、最大轉矩/電流比控制、最大功率控制和最小損耗控制等；基速以上，主要是弱磁擴速。與永磁電機相比，HESM中存在專門用于控制主磁場強度的電勵磁繞組，因此驅動控制技術的核心問題是綜合考慮控制策略實施時的經濟性和效率等因素，協調控制電勵磁電流、定子直軸電流和定子交軸電流。

對于HESM，尤其是串聯或并聯磁路型HESM，電勵磁和永磁磁勢相互影響。例如，施加電勵磁前，磁路的飽和程度主要受永磁影響，施加電勵磁后，一是影響永磁磁場，二是影響磁路的飽和程度，參數變化大。電機參數的非線性增加了系統的控制精度、難度，現有研究成果大多在控制過程中假定其參數不變。因此針對HEM的智能控制技術是其發展方向之一。

(3) 新材料在HEM中的應用研究。電機損耗不僅影響電機效率，而且會引起溫升的增加，溫度過高是永磁性能惡化和破壞繞組絕緣系統的重要原因。對于HEM，尤其是轉子永磁型HEM，散熱差，開展HEM中新材料的應用研究很有必要。

超導材料在特定溫度下呈現出“零電阻”特性，使用超導材料制成電機繞組，能夠無損耗地傳輸電能。有資料表明[69]，與常規電機相比，超導電機效率提升0.5%～0.8%，整機重量減少1/3～1/2，長時間過載能力強(可達兩倍額定容量以上的長時間過載)，電抗減小，穩定性提高。

硅鋼片疊片鐵心，磁性能各向異性，限制了在HESM(多存在三維磁路)中的應用。軟磁復合材料(Soft Magnetic Composite, SMC)由表面絕緣的金屬粉末顆粒構成，采用粉末冶金技術，磁性能各向同性，能一次成型壓制成形狀復雜的結構[70]。但就目前而言，SMC磁性能比硅鋼片差，在低頻情況下，SMC的單位損耗高于普通硅鋼片[71]。鑒于硅鋼片和SMC鐵心各有優缺點，浙江大學葉云岳教授提出在橫向磁通永磁電機中采用混合鐵心[72]。SMC在電機中應用前景良好，尤其是在三維磁路的HEM中的應用有待進一步研究。

(4) 與應用領域相結合開展可靠性技術研究。隨著研究的深入，HEM的應用領域將進一步拓展，為使其在更多的領域發揮價值，HEM的系統可靠性是一個亟待解決的問題。在電動汽車、航空航天和艦船推進等場合，諸如高轉速、寬轉速和高溫濕熱環境等復雜工況，涉及電磁-溫度-動力學等領域，容錯性和可靠性研究是其研究熱點之一。

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Overview and New Process of Hybrid Excitation Motor

NINGYinhang1,ZHAOChaohui1,LIUChuang2

(1. School of Electric, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China; 2. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

When being equipped with the field winding for adjusting the magnetic field, permanent magnet motor was changed into hybrid excitation motor (HEM), a novel motor. The HEM combined the advantage of permanent motor machine and electrically excited motor, enjoying a wide application prospect. The flux-adjusting principle of HEM was presented. In the perspective of the machine prototype, the developing strategy of HEM was analyzed. A method, focusing on the excitation structure, was proposed to understand the HEM. Basing on the electromagnetic characteristic of HEM, the control ideas and systems configurations were researched for HEM used in some areas such as automobile, wind power generation, aviation and aerospace. At the end, recommended a guiding ideology to study HEM and outlooked its developing trend.

synchronous motor; flux-switching motor; hybrid excitation motor (HEM); topology structure; automobile motor; wind power generator

國家自然科學基金項目(50977044);江蘇省自然科學基金項目(BK20151574);江蘇省產學研聯合創新資金前瞻項目(BY2014003-09)

寧銀行(1982—)，男，博士研究生，研究方向為特種電機設計與控制。 趙朝會(1963—)，男，博士研究生，教授，研究方向為特種電機設計與控制。 劉 闖(1973—)，男，博士研究生，教授、博士生導師，研究方向為特種電機設計與控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)05- 0001- 12

2017 -01 -11